Бактерии-киборги изменят будущее альтернативной энергетики и не только
Над новыми способами производства "зелёного" топлива сегодня работают многие специалисты. Недавние исследования показали, что в этом процессе немаловажную роль могут сыграть бактерии. К примеру, они способны приводить в действие крошечные "ветрогенераторы" или помогать производить электричество за счёт испарения воды. Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли предложили ещё один способ получения энергии при помощи бактерий.
Их идея – научить бактерии покрывать себя крошечными солнечными панелями для производства полезных соединений. По сути в основе принципа производства энергии будет лежать классический фотосинтез, только его эффективность увеличится в разы по сравнению с естественными процессами, происходящими у растений.
"Вместо того, чтобы полагаться на неэффективный хлорофилл для сбора солнечного света, мы научили бактерии выращивать крошечные полупроводниковые нанокристаллы и покрывать ими свои тела", — рассказывает руководитель работы Келси Сакимото (Kelsey Sakimoto).
Сама по себе идея искусственного фотосинтеза не нова, однако зачастую системы, работающие по этому принципу, либо недостаточно эффективны для коммерческого производства, либо себя не окупают.
Исследователи сфокусировались на использовании неорганических полупроводников, которые поглощают солнечный свет и передают энергию бактериям, а те используют её для производства полезных химических веществ из двуокиси углерода и воды.
"Целью исследований и является, по сути, "суперзарядка" нефотосинтетических бактерий. Энергия поступает к ним в виде электронов из неорганических полупроводников, таких как сульфид кадмия (CdS), которые являются эффективными поглотителями света", — поясняет Ян Пэйдун (Peidong Yang), соавтор работы и глава исследовательской лаборатории, где проводились эксперименты.
Он и его коллеги работали с бактерией Moorella thermoacetica, которая производит уксусную кислоту из двуокиси углерода (CO2). Уксусная кислота представляет собой универсальное химическое соединение, и вскоре исследователи поняли, что она может быть легко преобразована для производства топлива, полимеров, фармацевтических препаратов и химических продуктов при помощи модифицированных бактерий.
Когда Сакимото "скормил" бактериям кадмий и аминокислоту цистеин, которая содержит серу, микроорганизмы-киборги (их назвали M. thermoacetica-CdS) синтезировали наночастицы сульфида кадмия. Последние хорошо поглощают свет и действуют как миниатюреые солнечные фотоэлементы. Тем временем бактерия продолжает продуцировать уксусную кислоту из CO2, воды и света, но уже в гораздо больших количествах.
"Когда бактерии покрыты крошечными солнечными батареями, они могут синтезировать продукты питания, топливо и пластмассы, используя солнечную энергию. Этот процесс во многом превосходит естественный фотосинтез", — отмечает Сакимото.
Эффективность бактерий-киборгов – более 80%, что в четыре раза превышает показатели обычных солнечных панелей и более чем в шесть раз – эффективность хлорофилла. По словам авторов, эта разработка расширяет возможности синтетической биологии и имеет коммерческий потенциал, поскольку не требует дорогостоящих материалов, а бактерии являются самовоспроизводящимися и самовосстанавливающимися. Вредные отходы при использовании такой системы минимальны, а дешевизна сделает её доступной даже для развивающихся стран.
Впрочем, работа ещё не завершена. Команда планирует усовершенствовать свою систему, а также продолжить изучать микроорганизмы: вполне возможно, среди них есть те, которым не требуется предварительная модификация.
Результаты своей работы американские учёные представили на ежегодной встрече Американского химического общества.
К слову, ранее учёные выяснили, что при помощи бактерии кишечной палочки можно получить не только желудочно-кишечную инфекцию, но и популярный вид топлива – газ пропан.